提到量子力學(xué)，人們總有高深莫測(cè)之感。但中科院物理研究所研究員曹則賢希望用這本《量子力學(xué)（少年版）》告訴讀者，其實(shí)量子力學(xué)的世界并非想象中那樣難以接近。

雖然名為少年版，但這本書(shū)并不僅僅適用于少年讀者，任何對(duì)量子力學(xué)感興趣、想入門(mén)的人，無(wú)論年齡、知識(shí)水平如何，都能從這本書(shū)中有所收獲。

1.兩個(gè)作者序

《量子力學(xué)（少年版）》開(kāi)篇有兩個(gè)作者序和一篇補(bǔ)充說(shuō)明，連曹則賢自己都笑言“這有點(diǎn)荒唐”。

第一篇作者序?qū)懹?005年，那時(shí)曹則賢正計(jì)劃為自己快10歲的兒子寫(xiě)一本有關(guān)量子力學(xué)的書(shū)。此前已經(jīng)有日本作者作了有益的嘗試，科普作家都筑卓司撰寫(xiě)了《十歲學(xué)量子理論》，雖然那本更像量子力學(xué)簡(jiǎn)史。曹則賢的一些同事也認(rèn)為，應(yīng)該有一本給中國(guó)少年們的量子力學(xué)入門(mén)書(shū)?！案匾氖?，在學(xué)習(xí)物理的過(guò)程中，我常常為那些偉大的發(fā)現(xiàn)所震撼，忍不住為那些天才的想法擊節(jié)叫好。我想對(duì)量子力學(xué)最好的贊美方式，是讓更多人知道量子力學(xué)的美妙?！辈軇t賢說(shuō)。

沒(méi)想到，序言寫(xiě)完后，書(shū)稿寫(xiě)作卻一拖再拖。2007年，曹則賢寫(xiě)下了第二篇作者序，“歡迎親愛(ài)的小朋友開(kāi)始閱讀這本書(shū)”?？捎捎谥T多原因，直到2016年春本書(shū)的書(shū)稿才得以完成。此時(shí)，那個(gè)快10歲的少年已經(jīng)長(zhǎng)成了大三的學(xué)生。

雖然遲了11年，但對(duì)于更廣泛的讀者來(lái)說(shuō)，這本有關(guān)量子力學(xué)的書(shū)卻來(lái)得恰逢其時(shí)。如今，隨著信息傳播時(shí)代的來(lái)臨，量子力學(xué)的成果不時(shí)出現(xiàn)在新聞報(bào)道中，關(guān)于量子力學(xué)的各種爭(zhēng)論也展現(xiàn)在更多人面前。量子力學(xué)到底是什么，是很多人好奇的問(wèn)題。

“量子力學(xué)和相對(duì)論是20世紀(jì)物理學(xué)的兩大支柱，相對(duì)論隨著愛(ài)因斯坦的名字不斷地出現(xiàn)在各種場(chǎng)合，為世人普遍知曉，量子力學(xué)則似乎一直居于高高的學(xué)術(shù)象牙塔中。”曹則賢表示，但其實(shí)，量子力學(xué)離我們并不遙遠(yuǎn)，它的研究成果已經(jīng)主導(dǎo)了我們的生活，到處都能看到量子力學(xué)改變生活的證據(jù)。激光，基于半導(dǎo)體技術(shù)的各種電子學(xué)，光電子學(xué)器件如計(jì)算機(jī)、太陽(yáng)能電池、手機(jī)等，還有醫(yī)用的核磁共振儀，都是在利用量子力學(xué)理解物質(zhì)、改造物質(zhì)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的?！皩?duì)于今天的少年們來(lái)說(shuō)，量子力學(xué)應(yīng)該是基礎(chǔ)知識(shí)，而不再是高深的學(xué)問(wèn)?！?/p>

曹則賢還想通過(guò)這本書(shū)糾正“量子力學(xué)是物理學(xué)領(lǐng)域的革命”的說(shuō)法?！拔锢韺W(xué)里沒(méi)有革命，而是一條綿密的思想的河流，是連續(xù)發(fā)展的?！辈軇t賢說(shuō)，在過(guò)去的教學(xué)和研究中，他把量子力學(xué)創(chuàng)立過(guò)程中經(jīng)典的文獻(xiàn)，包括英語(yǔ)、德語(yǔ)、法語(yǔ)等版本翻完之后，更驗(yàn)證了這種想法?！傲孔恿W(xué)創(chuàng)立過(guò)程中的每一個(gè)想法都是有一定基礎(chǔ)的。量子力學(xué)到底是怎么創(chuàng)造的、它面對(duì)的是什么問(wèn)題、創(chuàng)立者用了什么方法和工具、他們?nèi)绾螄L試去解決量子力學(xué)的問(wèn)題從而構(gòu)造量子力學(xué)體系，我很想嚴(yán)肅地去談?wù)勥@些問(wèn)題。”

2.帶著腳手架的物理學(xué)

正是帶著這樣的理念，曹則賢在這本書(shū)里循著量子力學(xué)發(fā)展的歷史脈絡(luò)，用關(guān)鍵的人物、物理事件與數(shù)學(xué)思想，構(gòu)筑量子力學(xué)的知識(shí)體系，強(qiáng)調(diào)量子力學(xué)在經(jīng)典物理的基礎(chǔ)上被創(chuàng)建的過(guò)程細(xì)節(jié)，從而引導(dǎo)讀者走進(jìn)量子力學(xué)的世界。

其實(shí)這也源自曹則賢自己的困惑?！皬?982年進(jìn)入中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系算起，近30年的物理學(xué)習(xí)生涯中，我一直為自己不能很好地理解一些物理概念、不能夠早早地建立起正確的物理圖像而懊惱不已?！辈軇t賢說(shuō)，所以他一直有個(gè)愿望，想編一本物理學(xué)教科書(shū)，把物理學(xué)的概念置于其自身發(fā)展的歷史背景中，看它產(chǎn)生、演化、改進(jìn)甚至被摒棄的過(guò)程，討論它的發(fā)展或應(yīng)用的可能性。換句話說(shuō)，就是去看“帶著腳手架的物理學(xué)”，而不是只呈現(xiàn)那些“完美”的結(jié)果。

于是，在書(shū)的開(kāi)篇，曹則賢就寫(xiě)“宇宙如棋局”，告訴讀者物理學(xué)家探索量子世界的秘密的過(guò)程，就好像一個(gè)孩子看別人下象棋，要很久才能記住整個(gè)棋盤(pán)上一共有幾個(gè)棋子，然后再慢慢琢磨出下象棋的規(guī)則，這個(gè)過(guò)程并不是一蹴而就的。

隨后，曹則賢從牛頓用三棱鏡發(fā)現(xiàn)白色光的七色彩虹分解講起，通過(guò)夫瑯和費(fèi)在太陽(yáng)光譜中發(fā)現(xiàn)暗線的歷史故事，講到了量子力學(xué)中的原子吸收問(wèn)題。接著，他又介紹了普朗克的黑體輻射曲線以及對(duì)能量量子化的解釋，隨后則介紹了愛(ài)因斯坦用光量子的觀點(diǎn)解釋了光電效應(yīng)的奇特現(xiàn)象。

對(duì)于光譜線的強(qiáng)度，曹則賢寫(xiě)到了克拉默斯的努力，以及克拉默斯建立的那個(gè)不太正確的模型。隨后，他以一貫犀利的風(fēng)格評(píng)價(jià)了海森堡的“半截子論文”——海森堡是在思考光譜線的強(qiáng)度的問(wèn)題時(shí)得到了量子力學(xué)的“矩陣形式”的。但整個(gè)思維過(guò)程海森堡其實(shí)自己也是懵懂的。海森堡自己也沒(méi)有完全想清楚到底是怎么一回事，只是寫(xiě)了一個(gè)論文發(fā)表出去了，卻陰差陽(yáng)錯(cuò)地成了量子力學(xué)的奠基人。

此后，從德布羅意的物質(zhì)波，到薛定諤得到波動(dòng)方程的思考過(guò)程，從科學(xué)史上第一個(gè)人為設(shè)計(jì)的觀測(cè)量子態(tài)的實(shí)驗(yàn)——斯特恩—蓋拉赫實(shí)驗(yàn)，到古德斯密特與烏倫貝克提出的“自旋”假說(shuō)，再到泡利對(duì)自旋的矩陣描述，曹則賢將量子力學(xué)創(chuàng)立和發(fā)展過(guò)程中的關(guān)鍵人物和事件一一呈現(xiàn)，最后還介紹了量子力學(xué)的實(shí)際用處，比如說(shuō)激光與半導(dǎo)體的發(fā)明。

“我就是要把科學(xué)創(chuàng)造的過(guò)程展現(xiàn)出來(lái)，包括做對(duì)的，也包括做錯(cuò)的?！辈軇t賢說(shuō)。

3.讀起來(lái)更像是故事

讓少年讀量子力學(xué)，能讀得懂嗎？對(duì)此，曹則賢則是信心滿滿，在他看來(lái)，如今少年的見(jiàn)識(shí)和智力遠(yuǎn)超以往，而且，讓孩子們?cè)缭缃佑|到像量子力學(xué)這樣有挑戰(zhàn)性的內(nèi)容，無(wú)疑對(duì)培養(yǎng)孩子的科學(xué)素養(yǎng)是有益的，“但前提是孩子自己要有興趣”。

曹則賢希望，自己的這本書(shū)讀起來(lái)更像是故事，而不是物理的專業(yè)教科書(shū)，更不是冷冰冰地向人灌輸高深的學(xué)問(wèn)。“當(dāng)然，用通俗的語(yǔ)言介紹量子力學(xué)這樣的學(xué)問(wèn)必定有不精確、不到位的地方，因此本書(shū)除了解釋關(guān)于量子力學(xué)初步的、直觀的知識(shí)外，還將用到一些數(shù)學(xué)?！辈軇t賢說(shuō)，當(dāng)然，也不能指望小朋友去演算特別難的方程，所以他用了最少量的方程，把重點(diǎn)放在介紹量子力學(xué)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)、思想邏輯和應(yīng)用成就上。

“所有的復(fù)雜數(shù)學(xué)內(nèi)容你都可以跳過(guò)，然后接著看下去?！辈軇t賢說(shuō)，孩子們可以通過(guò)本書(shū)記住一些偉大的名字，那些改變了人類認(rèn)知的偉大事件及其哲學(xué)、方法論的背景，那些不同尋常的大腦里的古怪想法。等他們長(zhǎng)大了，就能更深入地理解量子力學(xué)的內(nèi)容，一起經(jīng)歷和理解未來(lái)那些激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)。即使不想成為物理學(xué)家，量子理論訓(xùn)練的思維方式仍然有助于他們認(rèn)識(shí)世界。

1938年，科幻作家杰克·威廉森出版了科幻小說(shuō)《無(wú)邊的時(shí)間》，故事中說(shuō)人類的未來(lái)有希望和墮落兩種可能，選擇將由一個(gè)男孩作出。他可能會(huì)在草地上撿起一塊小磁鐵，成為了一個(gè)偉大的科學(xué)家，或者撿起一塊小石子，成為一個(gè)流浪漢。這個(gè)故事讓曹則賢深有感觸：“我們有太多的擁有成為偉大科學(xué)家天賦的小朋友，他們需要的只是一塊撩起好奇心的小磁鐵。我衷心希望，我的這本小書(shū)會(huì)是這樣的一塊小磁鐵，能撩起許多小朋友對(duì)科學(xué)的好奇。”

同時(shí)，曹則賢也強(qiáng)調(diào)，這本書(shū)雖然名為少年版，但它并不僅僅適用于少年讀者，他希望任何對(duì)量子力學(xué)感興趣、想入門(mén)的人，無(wú)論年齡、知識(shí)水平如何，都能從這本書(shū)中有所收獲。

在曹則賢看來(lái)，量子力學(xué)是人類天才的精神創(chuàng)造，為的是揭示我們存身其中的宇宙的秘密，它同其他學(xué)科一樣富有藝術(shù)性、創(chuàng)造時(shí)的冒險(xiǎn)性和美感?！鞍蚜孔恿W(xué)描繪成晦澀難懂的、充滿怪異符號(hào)和復(fù)雜公式的、只供科學(xué)‘怪物’們理解的怪誕臆造物，無(wú)疑是個(gè)天大的誤會(huì)。它不過(guò)是人類在過(guò)去某個(gè)階段的思想的結(jié)晶，不會(huì)超過(guò)現(xiàn)代人的理解力太遠(yuǎn)。我也不認(rèn)為任何一門(mén)學(xué)科非要裝出一副拒人于千里之外的架勢(shì)不可?！辈軇t賢說(shuō)，如果時(shí)間和能力允許，他還將繼續(xù)寫(xiě)作《相對(duì)論（少年版）》《熱力學(xué)（少年版）》和《電磁學(xué)（少年版）》。